Nối tiếp nội dung phần 1 cuốn sách "Kỹ thuật đo lường điện - Điện tử", phần 2 giới thiệu tới người đọc các kiến thức: Quan sát và ghi dạng tín hiệu, máy tạo sóng đo lường, đo lường các đại lượng không điện. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 88 - CHƯƠNG III: QUAN SÁT VÀ GHI DẠNG TÍN HIỆU DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ Trong kỹ thuật đo lường điện vô tuyến điện, yêu cầu để xác đònh tín hiệu quan sát dạng đo tham số tín hiệu Các tín hiệu điện vô tuyến điện hàm biến thiên theo thời gian Do vậy, thực thiết bò để vẽ trực tiếp đồ thò biến thiên tín hiệu theo thời gian quan sát hình dạng đo lường thông số đặc tính Thiết bò cho phép quan sát đo đạc tham số tín hiệu máy sóng hay dao động ký điện tử (oscilloscope) Dao động ký điện tử thiết bò đo thực vẽ dao động đồ hình dạng sóng tín hiệu nhờ ống tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube) Dao động ký điện tử đo hàng loạt thông số tín hiệu: trò đỉnh, trò tức thời điện áp, dòng điện; đo thời hạn xung, tần số, đo di pha, đo hệ số điều chế biên độ, vẽ đặc tuyến linh kiện Nhờ trở kháng lối vào lớn nên phép đo có ưu điểm không làm ảnh hưởng tới chế độ công tác mạch Nhờ độ nhạy cao dao động ký điện tử cho phép khảo sát trình yếu tuần hoàn lẫn trình xung với khả phân biệt cao Các dao động ký điện tử phân loại theo dấu hiệu khác nhau: – Phân loại theo dãi tần: tần cao, tần thấp; – Phân loại theo kênh đo: kênh, kênh, nhiều kênh; – Phân loại theo số tia điện tử: tia hay nhiều tia; – Loại có nhớ hay nhớ Nhờ đặc tính quý báu nên dao động ký điện tử thiết bò đo quan trọng thiếu phòng thí nghiệm điện tử Sơ đồ khối chức dao động ký điện tử chùm tia hình 3-1 Đầu vào Y Đồng Khuếch đại kênh Y Y Đồng Khuếch đại đồng Đồng lưới 50Hz X Tạo chuẩn thời gian X Lưới M Y Quét đợi Quét liên tục HV Khuếch đại kênh X Đầu vào X Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 89 - Hình 3-1 Dao động ký điện tư.û § TẦNG KHUẾCH ĐẠI KÊNH Y Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại kênh Y hình 3-2 Hình 3-2 Tầng khuếch đại kênh Y Điện áp cần khảo sát qua mạch lối vào (DC AC), sau qua suy giảm đưa vào tầng khuếch đại vi sai transistor Q2,, Q3 Các transistor Q1 Q4 mạch gánh emiter để tạo trở kháng vào lớn Khi lối vào Vi = 0, ta có VB1 = Điều chỉnh biến trở R10 cho VB4 = Lúc nửa vi sai cân bằng, IC2 = IC3 Sụt áp R3 R6 cho ta điện áp collector Q1 Q2 tương ứng Do VC2 – VC3 = 0V Khi có tín hiệu vào theo chiều dương, làm đáy VB2 tăng, IC2 tăng dẫn đến IC3 giảm Dòng IC2 tăng khiến VC2 giảm mức đất, trái lại, dòng IC3 giảm khiến VC3 tăng mức đất Nếu ∆VC2 = –1V ∆VC3 = +1V, nghóa có điện áp ngược chiều đặt collector Q2 Q3 Hiệu điện đặt lên phiến lệch đứng YY ống tia điện tử Chiết áp R10 làm nhiệm vụ điều chỉnh mức DC Khi tiếp điểm động R10 giữa, VB4 = (ở mức đất) Khi tiếp điểm động R10 dòch chuyển lên phía trên, VB4 > , VB3 tăng theo chiều dương làm IC3 tăng, nên IC2 giảm, VC3 giảm VC2 tăng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 90 - Thế đặt vào phiến lái tia làm chùm electron lệch lên tâm hình, kết toàn hình vẽ nâng lên mức DC bình thường Ngược lại, tiếp điểm động R10 dòch xuống phía làm mức DC toàn hình vẽ dòch xuống § HIỆN HÌNH DẠNG SÓNG Nguyên tắc vẽ dao động đồ dao động ký điện tử minh họa hình 3-3 a) c) b) Hình 3-3 d) 3.1 Khi chưa có tín hiệu đặt vào phiến lái tia XX YY chùm tia điện tử đập vào tâm hình Trên có vết sáng tròn (hình 33,a); 3.2 Khi đặt điện áp quét dạng cưa Ux vào phiến lệch ngang XX, chùm tia điện tử di chuyển theo phương ngang vẽ nên vệt sáng nằm ngang hình Đây chế độ quét đợi thường trực máy sóng (hình 3-3,b) 3.3 Khi có điện áp xoay chiều hình sin Uy đặt vào phiến lệch đứng YY, chùm tia điện tử di chuyển theo phương thẳng đứng với tần số điện áp hình sin Trên hình có vệt sáng thẳng đứng (hình 3-3,c) 3.4 Nếu phiến XX tác động điện áp quét Ux, phiến lệch đứng YY đặt điện áp xoay chiều hình sin Uy Khi có đồng Ux Uy hình ta quan sát dạng sóng điện áp hình sin (hình 3-3,d) Tùy thuộc vào tỷ số tần số điện áp quét Ux điện áp hình sin Uy mà hình ta quan sát số chu kỳ điện áp Uy –Ví dụ Một sóng tam giác 500 Hz với biên độ đỉnh 50V đưa vào phiến lệch đứng YY ống tia điện tử CRT Trên lệch ngang XX đặt vào điện áp qué t ră n g cưa tầ n số 250Hz, biê n độ đỉnh 50V CRT có độ nhạ y i tia đứ n g Sy Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 91 - = 0,1 cm/V; độ nhạy lái tia ngang Sx = 0,08 cm/V Giả sử hai tín hiệu đồng hóa Hãy xác đònh vẽ dạng sóng hình Ta có: Chu kỳ sóng quét cưa (hình 3-4,a) là: Tx = 1/fx = 1/ 250 Hz = ms Với sóng tam giác (hình 3-4,b): Ty= 1/fy = 1/500 Hz = ms; +50V m s -1 ,5 -2 -3 ,5 -5 V a) +40V -4 V b) y x c) Hình 3-4 Nguyên tắc hình dạng sóng Chùm tia điện tử dòch chuyển theo điều khiển điện áp đặt vào phiến lệch đứng lệch ngang Gọi tọa độ điểm sáng hình theo trục tọa độ Oxy tương ứng Ta xét thời điểm sau: – Tại thời điểm t = , điện áp đặt vào phiến lệch đứng lệch ngang tương ứng là: Vy = 0V; Vx = -50V Như vậy, độ lệch đứng tia điện tử y = 0, độ lệch ngang là: x = Vx Sx = -50 V 0,08 cm/V = -4 cm Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 92 - Vò trí điểm sáng hình (điểm 1) có tọa độ (-4, 0) – Khi t = 0,5ms: Vx = -37,5V; Vy = 40V Toạ độ chùm tia điện tử là: x = Vx Sx = -37,5 0,08 = -3 cm; y = Vy Sy = 40 0,1 = cm Điểm hình có tọa độ (-3, 4) – Tại t = ms (điểm 3); Vx = -25V, Vy = 0V, x= -25 0,08 = -2cm, y = 0; ứng với tọa độ (-2, 0) – Tại t = 1,5 ms (điểm 4) ; x = -12,5 0,08 = -1cm; y=-40 0,1 = -4cm – Taïi t = ms (điểm 5); x = 0; y = v.v… – thời điểm t = ms (điểm 9), điểm sáng hình có tọa độ tương ứng với (x=4cm, y=0) Trên bảng 3-1 tham số tương ứng với tính toán nói Bảng 3-1 Thời điểm (ms) Điện áp Vxx (V) Điện áp Vyy (V) Độ lệch ngang x (cm) Độ lệch đứng y (cm) Điểm saùng 0,5 1,5 2,5 3,5 -50 -37,5 -25 -12,5 12,5 25 37,5 50 40 -40 40 -40 -4 -3 -2 -1 11 4 -4 -4 Đồ thò dạng sóng hình dao động ký điện tử hình 3-4, c cho thấy sau chu kỳ điện áp quét cưa Vx hình ta nhận chu kỳ điện áp sóng tam giác Vy § BỘ TẠO GỐC THỜI GIAN 4.1 Bộ tạo dao động quét cưa Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động cưa hình 3-5 Mạch gồm khối chức là: tạo sóng quét cưa trigger Schmitt không đảo Điện áp lối mạch tạo sóng quét cưa V1 đưa vào lối vào trigger Schmitt Do độ lợi mạch khuếch đại thuật toán lớn ( ∼20.000) nên thay đổi nhỏ lối vào trigger làm cho lối mức bão hòa –Nguyên tắc hoạt động Mạch tạo sóng quét cưa hoạt động sở nạp phóng tụ điện Transistor Q1 điện trở thiên áp cho tạo nên nguồn dòng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 93 - ổn I1 để nạp cho tụ C1 Transistor Q2 đóng vai trò khóa xả cho tụ C1 điều khiển xung lối trigger schmitt Ở trạng thái ban đầu lối trigger mức bão hòa âm, Q2 khóa, C1 nạp dòng I1 Thế tụ tăng tuyến tính theo quy luật: ∆V1 = I 1t (3-1) C1 Khi tụ đạt mức ngưỡng trigger schmitt : VC1 = V ng = ±(VCC − 1) R6 R5 (3-2) Trigger chuyển trạng thái lối lên bão hòa dương Thế bão hòa làm cho transistor Q2 nhanh chóng dẫn thông bão hòa, mở đường cho tụ C1 xả nhanh qua Q2 Khi tụ C1 giảm xuống mức ngưỡng kích trigger chuyển trạng thái lối sang bão hòa âm, cấm Q2 tụ C1 lại nạp lại Cứ lối collector Q1 ta có dạng sóng cưa với mặt trước tăng tuyến tính, mặt sau gần dốc đứng Để thay đổi chu kỳ sóng quét cưa, ta thay đổi nguồn dòng I1 cách điều chỉnh biến trở R3, thay đổi thời mạch nạp nhờ chuyển mạch tụ C1 ( núm chuyển mạch TIME/DIV mặt máy – xem hình 3-5) Mức ngưỡng Mức ngưỡng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 94 - Hình 3-5 Nguyên lý mạch tạo sóng quét –Ví dụ Mạch tạo sóng quét hình 3-5 có: R1 =2,2 K; R2 = 4,5K; R3=4,2K; C1 = 0,25µF, R5 = 27K; R6 = 3,9K Điện áp nguồn nuôi ±VCC = ±15V Các transistor Q1 Q2 transistor Si Hãy tính biên độ đỉnh – đỉnh VPP chu kỳ dạng sóng cưa T Ta có: Điện áp ngưỡng trigger schmitt: Vng = ±(VCC − 1) R6 3,9 K = ±(15 − 1) = ±2V R5 2,7K Biên độ đỉnh-đỉnh điện áp cưa là: VPP = Vng = x 2V = 4V Điện áp đáy Q1 là: VB1 = VCC Nguồn dòng: I C1 = R1 = 4,9V R1 + R2 (với giả thiết I B1 0) Phần lớn kim loại Cu, Fe, Ni, Al, Pt … có hệ số nhiệt điện trở dương Trò số điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ theo hệ thức: Rt = Ro (1 + α ∆t ) vaø ρ t = ρ o (1 + α ∆t ) (5-26) Sử dụng nhiệt trở kim loại làm cảm biến nhiệt cho đặc tuyến truyền đạt tuyến tính Khoảng nhiệt độ làm việc số nhiệt trở như: Pt: –200 ÷ 1000 oC; Ni: –80 ÷ 300oC; Cu: –200 ÷ 200oC; Ni-Fe: –200 ÷ 250oC Thường sử dụng platin cho phép khoảng đo nhiệt rộng Hệ số nhiệt điện trở platin α = 0,00392 /oC Như giá trò điện trở thay đổi khoảng 0,3Ω/oC 3.2.2 Nhiệt trở bán daãn – thermistor (α < 0) Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 144 - Nhiệt trở bán dẫn chế tạo từ oxýt kim loại MnO, ZnO, CuO Giá trò điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật: β RT = R∞ e β T vaø ρT = ρ ∞ e T (5-26) Trong đó: R∞ – điện trở nhiệt độ vô lớn; β – hệ số phụ thuộc vào chất bán dẫn, có giá trò từ 10÷104 α = dρ β = − < ρ dt T (5-27) Nhiệt trở bán dẫn có β lớn nên độ nhạy cao Tuy nhiên hàm truyền phi tuyến nên đo phải dùng mạch bổ trợ để tuyến tính hóa đặc tuyến truyền đạt 3.3 Cảm biến nhiệt dùng tiếp giáp P-N bán dẫn Dựa sở phân cực cho tiếp giáp P-N bán dẫn (đối với diode transistor) phụ thuộc vào nhiệt độ, người ta chế tạo cảm biến nhiệt dùng diode transistor Ta biết điện phân cực VD = (0,2 ÷ 0,3)V diode Ge VD = (0,6÷0,7)V diode Si Tuy nhiên giá trò VD thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng phân cực giảm Biến thiên tương đối theo nhiệt độ VD : ∆VD = - (2,1 ÷ 2,5) mV/ o C ∆T (5-28) ⎛ ∆Vo R ⎞ = ∆VD ⎜⎜1 + ⎟⎟ ∆T R1 ⎠ ⎝ (5-29) Cảm biến nhiệt dùng diode mắc vào mạch đo theo sơ đồ hình 5-19, a Biến thiên tương đối lối theo nhiệt độ xác đònh theo hệ thức: Đối với transistor, điện áp phân cực VBE phụ thuộc vào nhiệt độ theo hệ thức: VBE = kT ⎛ I C ln ⎜ q ⎜⎝ I S ⎞ ⎟⎟ ⎠ (5-30) Trong đó: IS – dòng ngược bão hòa; IC – dòng colector K = 1,38.10-34J.s – Hằng số Bolzermant Vì giá trò dòng IC thay đổi theo nhiệt độ nên cần sử dụng nguồn dòng ổn để loại trừ trôi nhiệt Khi sử dụng thường ghép cặp transistor hình 5-19, b +V +V R3 10K Q2 VD Vo - R1 + D Vo 4K Q1 R1 VBE R2 R2 1K b) a) Hình 5-19 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử Từ hình vẽ ta có: Vo = - 145 - R1 + R2 VBE = 5VBE R2 Nhược điểm cảm biến nhiệt dùng diode transistor dãi đo nhiệt độ bò hạn chế khoảng từ –40oC đến 150oC Các cảm biến chế tạo công nghiệp FJT1000, FD300, FD200 dùng cho dãi đo từ 40oK đế 400oK Ngoài ra, cảm biến đo nhiệt độ chuyên dụng chế tạo dạng nguồn LM135, LM235,LM335 có hàm truyền tuyến tính với đáp ứng 10mV/oK Hoặc cảm biến dạng nguồn dòng AD590 cho đáp ửựng 1àA/oK Đ CHUYEN ẹOI HOA ẹIEN 4.1 Caỷm biến điện trở dung dòch Ta có điện trở cột chất lỏng dung dòch chiều dài l cực S xác đònh theo hệ thức: R = ρ l S (5-31) Trong đó: ρ = 1/ γ – điện trở suất dung dòch, với γ gọi suất dẫn điện dung dòch tỉ lệ với hoạt tính đương lượng hóa học: γ=λfc=λa (5-32) Ở đây: f – Hệ số hoạt tính dung dòch; c – Nồng độ dung dòch; λ – Độ dẫn điện đương lượng dung dòch; a = f c – Hoạt tính dung dòch hay độ linh động ion Như vậy, giữ cho l, S không đổi điện trở dung dòch thay theo γ Nói cách khác điện trở hàm số nồng độ dung dòch c: R = ρ l l l = ⋅ = ⋅ = f (c ) S S λ fc S λa (5-33) Đo điện trở xác đònh nồng độ dung dòch Lưu ý: Suất dẫn điện dung dòch phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ: γ t = γ o [1 + (t − t o )β ] (5-34) Với axít: β = 0,016 độ-1; bazơ: β = 0,019 độ-1; muối: β = 0,024 độ-1 Khi bò điện phân muối tỏa nhiệt làm cho độ linh động a = fc tăng lên, dẫn tới γ tăng Do đó, đo nồng độ điện trở dung dòch cần quan tâm đến nhiệt độ, phải có biện pháp bổ Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 146 - 4.2 Cảm biến suất điện động ganvanic 4.2.1.Khái niệm độ pH pH = − lg10 a H + Theo đònh nghóa: (5-35) Trong a H + – độ hoạt tính ion hydro H+ Ta có: H → H + + OH − Goïi k số phân ly, ta có dung dòch k số: k H2 = aH + × aOH − aH2O k H2 ⋅ aH2O = aH + × aOH − = 10 −14 (5-36) (5-37) Với dung dòch trung tính có: a H + = aOH − = 10 −7 ; pH = -lg10 10-7 = Neáu: pH < , dung dòch có tính axít; pH > , dung dòch có tính kiềm 4.2.2.Điện điện cực Bất kỳ điện cực nhúng vào dung dòch xuất điện cực E Khi nhúng vào dung dòch điện cực khác chất (2 kim loại khác nhau), chúng tồn hiệu xác đònh, nghóa có suất điện động ganvanic Điện điện cực dung dòch gọi điện điện cực Không thể đo trực tiếp điện điện cực, đặt điện cực thứ vào dung dòch điện cực dung dòch xuất điện cực tham gia mạch đo Do điện điện cực xác đònh so với điện cực chuẩn Điện cực chuẩn điện cực bạch kim (Pt) có khí hydro bám vào coi điện cực khí hydro cắm dung dòch H2SO4 có nồng độ chuẩn (a = 1g-dl/l) Thế điện cực kim loại khác so sánh với điện cực chuẩn: Ví dụ: Kali: E0 = -2,92 V; Kẽm: E0 = -0,76 V; Đồng: E0 = +0,34 V; Bạc: E0 = +0,8 V v.v… Như phần tử ganvaníc hợp thành Zn Cu có suất điện động: E0 (Zn-Cu) = +0,34 – (–0,76) = 1,1 V Khi dung dòch có nhiệt độ nồng độ thay đổi, điện điện cực xác đònh theo phương trình Nezst E = Eo + Lưu Thế Vinh RT RT ln f c = E o + ln a nF nF (5-38) Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 147 - Eo – Thế tiêu chuẩn điện cực; R = 8,317 J/độ – Hằng số khí; n – số hóa trò ion; c – nồng độ dung dòch; F = 96500 C / g.mol – Hằng số Faraday; f – hệ số hoạt tính dung dòch; a = fc – Hệ số hoạt tính dung dòch Đổi từ lôga tự nhiên sang thập phân thay giá trò R F ta có: E = Eo + 0,058 lg( fc) n (5-39) Phương trình 5-39 cho ta nguyên tắc đo nồng độ dung dòch c cách đo suất điện động E 4.2.3.Cảm biến suất điện động Galoa Dùng điện cực giống A B nhúng dung dòch có nồng độ khác nhiệt độ (hình 5- 20) Zn C1 Zn B A C2 Hình 5-20 Điện điện cực cực theo phương trình Nezst: RT ln a1 nF RT E2 = Eo + ln a2 nF E1 = E o + Suất điện động Galoa hiệu điện điện cực: E = E1 − E = a RT (ln a1 − ln a2 ) = RT ln nF nF a2 (5-40) Độ hoạt tính dung dòch thường xác đònh a H + , viết: E= RT (a H + )1 ln nF (a H + ) Nếu chọn dung dòch dung dòch có nồng độ chuẩn, cho ( a H + )2 = suất điện động Galoa laø: E= RT RT RT ln ( a H + )1 = 2,303 lg10 ( a H + )1 = −2,303 ⋅ pH F nF F Lưu Thế Vinh (5-41) Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử Với t = 18oC thì: - 148 - E = − 0,058 pH (5-42) Phương trình 5-42 cho ta nguyên tắc để chế tạo máy đo độ pH § CHUYỂN ĐỔI QUANG ĐIỆN Các chuyển đổi quang điện phần tử nhạy cảm với xạ, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang học lối vào thành tín hiệu điện lối Có nhiều loại cảm biến quang điện sau: – Tế bào quang điện; – Quang trở; – Pin quang điện; – Photo diode; Photo transistor 5.1 Tế bào quang điện Tế bào quang điện (TBQĐ) sử dụng hiệu ứng quang điện Khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào ca tốt, tức lượng fôton tới lớn công thoát bề mặt kim loại làm ca tốt: ε = hν ≥ eϕ, hiệu ứng quang điện xảy Các đặc tính TBQĐ là: – Đặc tính quang: IΦ = f(Φx) phụ thuộc dòng quang điện IΦ vào dòng quang thông Φx – Đặc tính vôn-ampe: IΦ = f(U) Φx = const – Đặc tính tần số – phụ thuộc tần số dòng IΦ vào tần số thay đổi Φx – Đặc tính phổ xác đònh độ nhạy tế bào quang điện chiều dài bước sóng ánh sáng tới Trên hình 5-21 nhóm ứng dụng TBQĐ a) b) D c) d) e) Hình 5-21 Các sơ đồ sử dụng tế bào quang điện Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 149 - Trên sơ đồ hình 5-21, a dòng quang thông Φx tạo vật thể xạ TBQĐ sử dụng pirômét (hỏa kế xạ), ví dụ để đo nhiệt độ lò luyện kim dựa sở phụ thuộc cøng độ dòng ánh sáng đặc tính phổ vào nhiệt độ vật xạ Trên sơ đồ 5-21, b, dòng quang thông tới TBQĐ bò điều chế kích thước vật thể D mà mà kích thước d cần phải đo kiểm tra Ứng dụng hệ thống đo lường kiểm tra tự động Sơ đồ hình 5-21, c dùng để kiểm tra chất lượng bề mặt (độ phẳng, độ chói, màu sắc…) Sơ đồ hình 5-21, d sử dụng rộng rãi để đo nhiều đại lượng không điện khác Dòng ánh sáng Φo từ nguồn chiếu qua đối tượng cần khảo sát, chẳng hạn chậu chất lỏng mà độ màu sắc cần kiểm tra, sau đập vào TBQĐ Như dòng quang thông Φx hàm số đại lượng cần kiểm tra Sơ đồ hình 5-21, e dùng phép đo tốc độ trục quay tốc kế quang điện 5.2 Quang trở Quang trở dụng cụ bán dẫn dựa hiệu ứng quang điện trong: Độ dẫn điện chất bán dẫn tăng (điện trở giảm) rọi sáng ánh sáng thích hợp Sơ đồ cấu trúc quang trở hình 5-22 Nền bán dẫn thường làm chất sunfit cadmi, selenit cadmi (nhạy Ánh vùng ánh sáng khả kiến); sunfit chì, antimonit indi (nhạy vùng hồng ngoại) Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt quang trở, ánh sáng tới thỏa mãn điều kiện ε ≥ ∆Ε (bề rộng vùng cấm theo thuyết Hình 5-22 Cấu tạo quang trở Lớp cảm quang, bán dẫn miền lượng), điện tử từ miền hóa Các điện cực trò nhảy lên miền trống (miền dẫn) trở thành điện tử tự (điện tử dẫn) Kết làm tăng electron dẫn bán dẫn, tức làm giảm điện trở nó, hay làm tăng độ dẫn Xuất độ dẫn phụ – quang dẫn Biểu diễn độ quang dẫn σ Φ: σ Φ = en Φ µ (5-43) Trong đó: nΦ = β Φ (5-44) Φ – quang thông tới; β1 – hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới vận tốc tái hợp điện tích mang Khi mắc quang trở vào mạch với nguồn suất điện động E (hình 5-22) Dòng quang điện mạch có dạng: I Φ = σ Φ ES (5-45) Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 150 - Trong đó: E – cường độ điện trường; S – diện tích tiết diện ngang quang trở; σΦ – độ quang dẫn – Ứng dụng: Quang trở sử dụng trắc quang, mạch điều khiển 5.3 Pin quang điện Pin quang điện thiết bò bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang – ganvanic Cấu tạo pin quang điện gồm lớp bán dẫn p-n (hình 5-23) Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt pin, fôton bò hấp thụ kích thích nguyên tử bán dẫn tạo cặp electron - lỗ trống Các phần tử mang khuếch tán qua lớp tiếp giáp p-n phân cách điện trường phụ thuộc vào dấu điện tích Trong miền n tích tụ electron thừa, miền p tích tụ lỗ trống thừa Kết quả, hai miền tích điện n (-) p (+) làm giảm hiệu tiếp xúc, làm xuất lớp tiếp giáp suất điện động quang điện A B Hình 5-23 Pin quang điện Độ lớn suất điện động quang điện: E = Trong đó: ⎞ kT ⎛⎜ I Φ + 1⎟ ln ⎜ Io ⎟ e ⎝ ⎠ (5-46) k – số bolzermant; T – nhiệt độ tuyệt đối; Io – dòng nhiệt; IΦ – dòng quang –Ứng dụng: Trong quang trắc, lux kế, lumen kế, lộ sáng kế Pin quang điện Si dùng đo nhiệt độ dãi 350÷2000oC nhạy với phổ hồng ngoại; Trong máy quay chiếu phim, truyền tín hiệu điều khiển tự động 5.4 Photo diode Photo diode diode bán dẫn hoạt động chế độ: chế độ quang – ganvanic pin quang điện chế độ photo diode mắc với nguồn Sơ đồ cấu trúc photo diode hình 5-24, a Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử a) - 151 - b) Hình 5-24 a) Cấu trúc photo diode; b) Chế độ photo-ganvanic; c) Chế độ photo diode c) 5.4.1.Chế độ photo-ganvanic (hình 5-24, b) : Không có nguồn điện áp Khi chiếu sáng đầu photo diode có hiệu điện U qua tải R có dòng: U I = = IΦ − Io R ⎛ eU ⎞ ⎜ e kT − 1⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (5-47) Trong Io – dòng nhiệt; IΦ – dòng quang điện 5.4.2 Chế độ photo diode (hình 5-24, c) Khi mắc nối tiếp với tải nguồn suất điện động E, mạch xuất dòng hiệu số dòng chảy qua tiếp giáp p-n: U+E I = = IΦ − Io R ⎛ e(U + E ) ⎞ ⎜ e kT − 1⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (5-48) Đây phương trình xác lập chế độ làm việc photo diode với nguồn điện áp Trên hình 5-25 trình bày họ đặc tuyến vôn-ampe photo diode Góc phần tư thứ (I) ứng với chế độ phân cực thuận diode Góc phần tư thứ tư (IV) mô tả đặc tuyến công tác photo diode chế độ photo – ganvanic Điểm cắt đặc tuyến với trục dòng điện tương ứng với chế độ ngắn mạch lối photo diode, điểm cắt với trục điện áp chế độ không tải hở mạch nguồn U Góc phần tư thứ ba (III) đặc tuyến chế độ photo diode Đường đặc tuyến qua gốc tọa độ ứng với trường hợp không chiếu sáng diode, giống đặc tuyến vôn-ampe diode thường Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 152 - Hình 5-25 Ho đặc tuyến vôn-ampe photo Phạm vi phổ nhạy cảm photo diode phụ thuộc vật liệu chế tạo: Loaùi Si: 0,6 ữ àm; Ge: 0,5 ữ 1,7 µm Các photo diode có thời gian xác lập nhỏ so với quang trở Tần số giới hạn với photo diode thường cỡ 10 MHz – Ứng dụng: Trong trắc quang, quay chiếu phim, điện báo truyền ảnh, đưa thông tin lối vào máy tính điện tử 5.5 Photo transistor Photo transistor có cấu trúc giống transistor thường p-n-p n-p-n Cấu tạo ký hiệu photo transistor n-p-n với chiếu sáng vùng đáy hình 5-26 B E C C B B E C a) b) c) E Hình 5-26 Thực tế chiếu sáng miền transstor chiếu vào theo hướng song song theo hướng vuông góc với tiếp giáp p-n, hiệu ứng lớn xảy chiếu ánh sáng theo hướng vuông góc chiếu vào đáy transistor Photo transistor mắc sơ đồ đo giống transistor thông thường theo sơ đồ E chung, B chung C chung, đấu thành diode để hở cực Khi hoạt động giống photo diode Ký hiệu sơ đồ tương đương photo diode hình 5-26, b 5-26, c Như tiếp giáp base – colector transistor photo diode Từ sơ đồ tương đương ta thấy rằng: phạm vi độ nhạy photo transistor giống photo diode tương ứng Sơ đồ mắc photo transistor cảm biến quang học hình 5-27 +Vcc +Vcc +Vcc R Vo Vo R a) Lưu Thế Vinh b) c) Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 153 - Hình 5-27 Nếu dòng quang base – colector ký hiệu IΦ, ta có điện áp lối cảm biến là: Vo = Vcc – β IΦ R (sơ đồ 5-27, a) Vo = β IΦ R (sơ đồ 5-27, b) Cả sơ đồ (a, b) có nhược điểm điện dung tiếp giáp base-collector nạp dòng IΦ tương đối nhỏ Chúng dùng sơ đồ đo tần số chuyển mạch thấp Có thể đạt tần số cao sơ đồ c Điện trở R thay mA kế có nội trở nhỏ để không gây sụt áp đáng kể Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử 10 11 12 13 14 15 16 - 154 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Метрология и электрорадоизмерение в телекоммуникацион Lời nói đầu §1 Những khái niệm DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 88 § khái niệm cHUNG 115 § khái niệm cHUNG 131 ных системах: Учебник для вузов / В.И Нефёдов, В.И Хахин, Е.В Федорова и др.; Под ред В.И.Нефёдова – М.:Высш.шк., 2001 Измерения в электронике: Справочник / В.А Кузнецов, В.А Долгов, В.М Конев-ских и др.; Под ред.В.А Кузнецова — М.: Энергоатомиздат, 1987 Классен К Б Основы измерений Электронные методы и приборы в измерительной технике — М.: Постмаркет, 2000 Харт X Введение в измерительную технику — М.: Мир, 1999 Елизаров А.С Электрорадиоизмерения — Минск: Выш Шк., 1986 Сергеев А.Г., Крохин В.В Метрология — М.: Логос, 2000 Меерсон А.М Радиоизмерительная техника –Л.: Энергия, 1978 Хормой Б.П., Моисеев Ю Г Электрорадиоизмерения М.: Радио и связь, 1985 Карпов Р Г., Карпов Н Р Электрорадиоизмерения – М.: выш Школа, 1978 David A Bell Dụng cụ đo lường điện tử / Người dòch: Nguyễn hữu Ngọc, Trònh Trung Thành, Đặng Văn Sử / N.x.b KHKT, Hà Nội, 1994 Vũ Quý Điềm Cơ sở kỹ thuật đo lường vô tuyến điện N.x.b ĐH & THCN, Hà Nội, 1978 Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Nhơn, Ngô Văn Ky Kỹ thuật đo Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 1995 Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Dương Dụng cụ đo điện N.x.b KHKT Hà Nội,1983 Hoàng Tư Giáp Đo thử hữu tuyến điện N.x.b Tổng cục bưu điện, Hà Nội 1979 Hoàng Thanh Chung Dụng cụ đo điện xách tay Nx.b Đại học trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1987 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử Lưu Thế Vinh - 155 - Khoa Vật Lý ... SS4 - U4 V3 + SS3 - U3 V2 + SS2 - U2 V1 + SS1 - U1 -E Các điện cực ghi CONTROL Hình 3 -2 3 Quá trình lượng tử hóa tín hiệu vào điều khiển điện cực ghi Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện. . .Kỹ Thuật Đo Lường Điện Điện tử - 89 - Hình 3-1 Dao động ký điện tư.û § TẦNG KHUẾCH ĐẠI KÊNH Y Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại kênh Y hình 3 -2 Hình 3 -2 Tầng khuếch đại kênh Y Điện áp... làm điện trở R5 + R6 dùng thêm diode mắc song song ngược chiều (hình 4 -2 ,a) C1 C5 C3 + S1 R6 R1 R5 D1 D2 C6 C2 C4 R4 S2 Lưu Thế Vinh a) b) R2 Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Điện tử - 117 -